0 引言

    聲源目標(biāo)定位主要是利用傳聲器陣列接收被監(jiān)測(cè)信號(hào),，進(jìn)而確定被監(jiān)測(cè)聲源在聲場(chǎng)中相對(duì)于已知位置的角度和距離，即角度估計(jì)（Angle Estimating）和距離估計(jì)（Range Estimating）^[1],。隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度,、分辨率提高及小型化、低功耗等性能的提高,，聲源定位系統(tǒng)的性能也在不斷提高^[2],。本文提出的基于麥克風(fēng)陣列的聲源被動(dòng)定位系統(tǒng)，旨在獲得定位精度高,、體積小,、低功耗的聲目標(biāo)定位系統(tǒng)，對(duì)于軍用倉(cāng)庫(kù),、人員不易達(dá)到的惡劣環(huán)境等區(qū)域的聲源監(jiān)測(cè)具有重要的使用意義,。

1 方案設(shè)計(jì)

    麥克風(fēng)陣列被動(dòng)聲源定位系統(tǒng)的整體方案如圖1所示。系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成,，分別是信號(hào)獲取的硬件部分和系統(tǒng)控制及算法實(shí)現(xiàn)的軟件部分,。

    信號(hào)獲取部分主要包括：端麥克風(fēng)陣列、阻抗匹配電路,、抗混疊濾波電路,、增益可調(diào)電路、ADC同步采樣電路,、Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、USB同步傳輸、FPGA控制模塊和電源模塊等,。聲源信號(hào)在空氣中傳播到達(dá)麥克風(fēng)陣列,，由模擬接口電路將信號(hào)傳輸?shù)阶杩蛊ヅ潆娐罚獯?、抖?dòng)現(xiàn)象,，使信號(hào)穩(wěn)定。然后經(jīng)過四階抗混疊濾波電路,，濾除掉其中的無用噪聲,，提高信噪比^[3]。因?yàn)閭髀暺鬏敵鍪呛芪⑷醯碾娦盘?hào),，在前端用增益可調(diào)的電路模塊對(duì)其進(jìn)行可調(diào)性放大,。放大之后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換把模擬量變成數(shù)字量,，F(xiàn)PGA控制數(shù)據(jù)通過USB接口實(shí)時(shí)上傳給上位機(jī)處理。系統(tǒng)控制及算法實(shí)現(xiàn)部分主要作用是給采集系統(tǒng)下發(fā)命令,，對(duì)上傳的數(shù)據(jù)根據(jù)到達(dá)時(shí)間差算法的原理進(jìn)行計(jì)算,，實(shí)現(xiàn)聲源相對(duì)于參考陣元的方位和距離的估計(jì)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

    實(shí)際的十字形麥克風(fēng)陣列擺放如圖2所示,。圖中,，M1，M2,，…M5表示十字陣列的5個(gè)十字形拓?fù)涞?個(gè)陣元,，M1為參考陣元。

    經(jīng)過濾波電路后信號(hào)中的高頻噪聲被濾除,，麥克風(fēng)的輸出信號(hào)是微弱信號(hào),，所以需要在A/D采樣電路前設(shè)計(jì)前置放大電路，將信號(hào)放大到的采樣保持在電路的電壓量程中,。

    針對(duì)前置放大器通頻帶較寬,、信噪比較高、增益可調(diào)的性能要求,，本聲源定位系統(tǒng)采用集成運(yùn)算放大器 OPA4228 擔(dān)當(dāng)其前置放大電路的核心部件^[4],。放大電路如圖3所示。

    使用OPA4228驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí),，會(huì)出現(xiàn)相位偏移或減小相位裕量的情況,，甚至使運(yùn)放不能穩(wěn)定工作,。對(duì)運(yùn)放的改進(jìn)設(shè)計(jì)中,，除了對(duì)電源管腳和運(yùn)放供電管腳使用旁路電容外，在反饋電阻兩端并聯(lián)了反饋電容,，如圖3所示,，反饋電容C₁與反饋電阻R₁并聯(lián)。如圖4所示,，在不采取任何補(bǔ)償措施的條件下,，將一個(gè)頻率為10 kHz的正弦波接入到OPA4228放大電路的輸入端，測(cè)量其輸出得到圖中的波形,。從圖中可知,，輸入信號(hào)經(jīng)過放大電路后，雖然得到了100倍的放大結(jié)果,，但輸出信號(hào)出現(xiàn)了明顯的振蕩和相位偏移,。

    對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)加入反饋電容后，輸入同樣的信號(hào)測(cè)量輸出,，得到圖5所示信號(hào),。比較圖4和圖5可知,，反饋電容起到了明顯的效果。

3 數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)

3.1 USB接口電路設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)采用Cypress公司EZ-USB FX2LPTM系列的CY7C68013A芯片,。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示,。從圖中可以看出，內(nèi)部包括數(shù)據(jù)接收發(fā)送單元,、SIE智能串行接口引擎,、8051增強(qiáng)型微處理器、片上數(shù)據(jù)RAM,、4個(gè)可配置端點(diǎn),、可選緩沖區(qū)大小和8 bit/8 bit外部數(shù)據(jù)接口等，能夠?qū)崿F(xiàn)USB2.0的高速數(shù)據(jù)通信協(xié)議^[5],。 

    外部配置芯片AT24C64A是ATMEL公司生產(chǎn)的,，主要功能是用來存儲(chǔ)固件程序。上電復(fù)位后,，68013A的FX2LP首先通過信號(hào)接口自動(dòng)加載VIN/PIN/DIN等配置信息,；然后邏輯模塊檢查I²C引腳上是否串接有0xC0或0xC2為首字節(jié)的存儲(chǔ)器，假如發(fā)現(xiàn),，就會(huì)自動(dòng)將AT24C64A中的程序內(nèi)容加載進(jìn)內(nèi)置存儲(chǔ)器中^[6],。

    該模塊電路采用總線的供電方式。USB總線上電壓是+5 V,，經(jīng)過線性穩(wěn)壓芯片MAX1658調(diào)整為3.3 V電壓,。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，不管是否使用E2PROM來存儲(chǔ)固件程序,，I²C管腳SDA和SCL必須各自串接上拉電阻,，阻值為2.2 kΩ。

3.2 邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)

    為了直觀明了,、簡(jiǎn)單方便地進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì),，采用了自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行。圖7為硬件電路邏輯時(shí)序頂層示意圖,。

    從圖7中可以看出,，時(shí)序邏輯部分主要由通信接口模塊、AD7606模塊,、Flash模塊,、復(fù)位控制模塊、參數(shù)和命令分析模塊,、時(shí)鐘分配與管理模塊以及Fifo模塊等部分組成,。通信接口模塊是系統(tǒng)軟件與硬件之間數(shù)據(jù)交換的橋梁，接收信號(hào)參數(shù)、數(shù)據(jù)和地址等參數(shù),；參數(shù)和命令模塊將接收到的參數(shù)和命令作識(shí)別并觸發(fā)相關(guān)操作,；AD7606模塊完成五路通道的同步采樣；Flash模塊進(jìn)行外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的擦除,、寫,、讀控制；FiFo模塊完成不同模塊之間數(shù)據(jù)的緩存^[7],。

4 定位性能測(cè)試

    將本文應(yīng)用的五元十字形陣列分別在不同位置進(jìn)行三維空間聲源數(shù)據(jù)測(cè)量,。M1作為坐標(biāo)原點(diǎn)，邊緣4個(gè)麥克風(fēng)離原點(diǎn)距離為14 cm,，聲源信號(hào)為拍手掌聲音“啪啪啪”,，不同測(cè)試點(diǎn)聲源位置和3次測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值如表1所示。

    由于外界噪聲干擾的隨機(jī)性,，導(dǎo)致個(gè)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想,，但從表1中可以看出，在多數(shù)情況下,，五元十字形陣列定位距離準(zhǔn)確和相對(duì)誤差也較小,。通過對(duì)五元十字形陣列的數(shù)據(jù)分析可知，距離定位誤差和聲源離傳聲器陣列的距離成正比的關(guān)系,，距離越遠(yuǎn),，誤差越大。 

5 結(jié)論

    本文介紹了一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源被動(dòng)定位系統(tǒng),，主要以五元十次型麥克風(fēng)陣列為模型進(jìn)行研究,，對(duì)硬件設(shè)計(jì)、控制邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述,。測(cè)試結(jié)果表明,，模塊定位距離準(zhǔn)確，相對(duì)誤差較小,，在聲源定位技術(shù)應(yīng)用中具有很高的應(yīng)用價(jià)值和參考價(jià)值,。 

參考文獻(xiàn)

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作者信息：

韓文革,，蘇淑靖,，薛彥杰

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）